Todas las llamadas energías renovables aúnan esfuerzos para conseguir la anhelada “no dependencia” de combustibles fósiles. Entre todas ellas y debido principalmente a su alto potencial de explotación, generación energética descentralizada y bajo impacto ambiental, es sin duda la energía solar fotovoltaica, la que ha levantado un mayor interés. El Sol es la más potente e inagotable (al menos en comparación con la duración de nuestro sistema solar) fuente de energía que poseemos. La conversión directa de energía solar en electricidad es una forma muy elegante de generar energía renovable. Diversas proyecciones de futuro que tienen en cuenta la necesidad de reducir el impacto del cambio climático, indican que la energía solar contribuirá en una parte substancial a resolver nuestras futuras necesidades de energía, véase la Fig. 1.

Fig. 1. La energía solar en la transición a un nuevo sistema de energía.

La radiación solar recibida en la corteza terrestre cada día es el equivalente a toda la energía utilizada a nivel mundial en alrededor de 25 años. Según el laboratorio nacional de Energías Renovables (NREL) de los Estados Unidos, con tan sólo cubrir un 6% de la superficie del desierto del Sahara con paneles fotovoltaicos disponibles comercialmente sería suficiente para autoabastecer de energía a toda la población mundial. Este potencial no ha pasado en absoluto inadvertido, y paradójicamente son las grandes compañías petrolíferas las que más han invertido en este sector en los últimos años. Aprovechar este recurso debidamente mejoraría no sólo nuestra calidad de vida, si no también la situación de nuestro medio ambiente ya que la energía solar fotovoltaica es una energía limpia sin apenas efectos ambientales adversos.

Las plantas poseedoras de clorofila y otros pigmentos son probablemente uno de los mejores ejemplos de conversión de energía solar. Son numerosos los estudios realizados para comprender en detalle cómo se produce esta conversión y reproducirla en laboratorios científicos. Las células solares fotovoltaicas son el mejor intento de reproducción humana de la conversión natural que tiene lugar en este tipo de plantas.

La tecnología fotovoltaica (PV) es modular, opera en silencio y de forma distribuida. Como se puede generar dentro de Europa, puede incrementar la seguridad del sistema de suministro de energía europeo. El sector fotovoltaico global ha crecido a un promedio del 25% anual en las últimas dos décadas, con una notable reducción de precios, que se muestra en la curva de aprendizaje de la Fig. 2. En los últimos 5 años, el crecimiento del mercado ha sido mucho mayor, a un 40% anual (Fig. 3), principalmente porque varios países como Alemania y España han establecido políticas efectivas de incentivos para desarrollar los mercados. Fuera de Europa, Japón, Corea y Estados Unidos son los principales ejemplos de mercados bien desarrollados o en expansión.

Fig. 2. Curva de aprendizaje: Precio de los módulos PV (por watio) en función de la capacidad acumulativa instalada (en MW).

Fig. 3. Crecimiento del mercado PV mundial

Las células solares fotovoltaicas son dispositivos que convierten la radiación solar directamente en energía eléctrica a través del efecto fotovoltaico que fue observado por primera vez por Becquerel en 1839. Un fotón puede interactuar con la materia perdiendo energía y utilizándola para promover un electrón hacia niveles más altos de energía. Si un material semiconductor es iluminado con un haz de luz de energía superior a su gap energético, electrones situados en su banda de valencia adquirirán la energía suficiente para saltar a la banda de conducción, generando así pares de carga con signo opuesto (electrones-carga negativa- y huecos-carga positiva-). Para separar estos portadores de carga fotoinducidos y generar un fotovoltaje, es necesario emplear contactos selectivos que dirjan estos portadores en sentidos opuestos para su posterior recolección en electrodos metálicos.

Los módulos PV son los constituyentes básicos de los sistemas de conversión fotovoltaica: Los módulos consisten en células solares que se fabrican de obleas de silicio o con capas finas activas sobre un substrato inerte. Para lograr que la energía solar PV sea competitiva con otras fuentes de energía se requiere biseccionar el precio cada década. Sin embargo, las proyecciones de la Plataforma Fotovoltaica Europea indican que si se mantienen los programas de soporte del mercado y se aumentan las inversiones en investigación, la electricidad PV puede ser competitiva en el Sur de Europa en 2015, y en el resto de Europa en 2020, Fig. 4.

Fig. 4. Estimación de la zona de paridad de la electricidad fotovoltaica con el precio de la red en 2015.
Fuente: Energy Research Centre of the Netherlands (ECN)

Existen tres tipos básicos de tecnologías fotovoltaicas, cada uno con requerimientos especiales de desarrollo:

• Tecnologías de oblea de silicio cristalino (c-Si). Dominan un 95% del mercado actual, con eficiencias de módulo de 12-17%, y eficiencia récord de laboratorio de 25%, que está muy cerca del máximo posible para cualquier célula solar formada un único semiconductor. La curva de aprendizaje de la Fig. 4 muestra que en las últimas tres décadas los precios de la tecnología se han reducido en un 20% por cada duplicación de la capacidad instalada acumulativa.

• Tecnologías existentes de capa fina (thin film). Las células solares de capa fina se depositan directamente sobre un substrato de gran área (cuadrados de 1 m de lado o mayor), y tienen un gran potencial para reducir el coste, por la poca cantidad de material activo que emplean y su demostrada estabilidad a largo plazo. Las tres tecnologías son el silicio amorfo (13% de eficiencia en laboratorio) y los semiconductores policristalinos CdTe (16.5%) y CIGS (19.5%), véase la Fig. 6.

Fig. 6. Tecnologías PV actuales.
Fuente: The Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems (ISE)

• Tecnologías nuevas y emergentes (3ª generación). Constituyen una serie de nuevas propuestas de tecnologías fotovoltaicas que han tomado impulso en la última década, y persiguen dos objetivos básicos. Por un lado, estrategias de coste muy bajo mediante rutas químicas de preparación que emplean materiales muy baratos y sólo una cantidad minúscula de componentes caros. Por otro lado, estrategias que aumenten la eficiencia muy por encima del límite de 25% que afecta a las configuraciones tradicionales. Las células orgánicas , y particularmente las células de colorante (dye-sensitized solar cell, DSC) y las células totalmente orgánicas, constituyen uno de los componentes más prometedores de estas tecnologías de futuro, junto con otras posibilidades como la termofotovoltaica y las estructuras de banda intermedia.

Aunque el mercado PV actual está dominado por los paneles de oblea de silicio, las previsiones del futuro desarrollo del mercado PV auguran un papel importante tanto para las tecnologías de capa fina, como para los conceptos emergentes, de manera que en 2030 cada una de las tres clases de tecnologías citadas cubrirá un tercio de un mercado mayor que el actual en varios órdenes de magnitud, como se indica en las Fig. 7.

Fig. 7. Desarrollos tecnológicos previstos en tecnologías PV.
Fuente: European Photovoltaic Technology Platform

Se prevé un rápido desarrollo para las células solares orgánicas como DSC, ya pueden ser flexibles y ligeras, y sin embargo tan duraderas como los dispositivos de estado sólido, muestran una estética mucho mejor y permiten la integración con dispositivos móviles. También es atractiva la fácil manufactura de estos dispositivos, que permite utilizar las etapas de fabricación de baja temperatura como por ejemplo la impresión de pantalla (serigrafía) y la electrodeposición. Tales rutas de preparación son compatibles con los substratos sensibles al calor tales como plásticos, de modo con que la integración de tecnologías bien conocidas de procesado de termoplásticos se podrán manufacturar módulos flexibles de bajo peso. Es por tanto factible pensar en paneles (o recubrimientos) fotovoltaicos flexibles y transparentes que encontrarían aplicación directa en el sector de la construcción o incluso tejidos fotovoltaicos. Si bien su moderada eficiencia y cuestionada estabilidad son el principal obstáculo que actualmente encuentran para su comercialización, su realmente bajo coste de fabricación las hace actualmente rentables para aquellas aplicaciones que demandan pequeñas dimensiones, complicadas morfologías y cortos tiempos de utilización. Paralelamente se trabaja activamente en la síntesis de nuevos materiales que mejoren tanto la eficiencia como la estabilidad, por lo que no sería de extrañar que muy pronto aparezcan a la venta paneles fotovoltaicos convencionales que incorporen esta tecnología.

Fig. 8. Célula de colorante (DSC) flexible, tecnología de Konarka.

Las previsiones de la European Photovoltaic Technology Platform sobre desarrollo de la tecnología de DSC se indican en la tabla siguiente.